Ánh mắt Caroline Chaboo sáng lên khi bà nói về bọ cánh cứng mai rùa. Giống như những viên ngọc quý, chúng tồn tại với vô số màu sắc rực rỡ: xanh lam óng ánh, đỏ, cam, xanh lá cây và trong suốt điểm xuyết vàng. Chúng là thành viên của một nhóm gồm 40.000 loài bọ cánh cứng ăn lá, Chrysomelidae, một trong những nhánh loài phong phú nhất của bộ bọ cánh cứng Coleoptera. “Bạn có mọt, bọ cánh cứng sừng dài và bọ cánh cứng ăn lá,” bà nói. “Đó thực sự là bộ ba thống trị sự đa dạng của bọ cánh cứng.”
Là một nhà côn trùng học tại Đại học Nebraska, Lincoln, Chaboo từ lâu đã tự hỏi tại sao vương quốc sinh vật lại nghiêng về bọ cánh cứng đến vậy: Những sinh vật có thân cứng cáp này chiếm khoảng một phần tư tổng số loài động vật. Nhiều nhà sinh vật học cũng đã tự hỏi điều tương tự, trong một thời gian dài. “Darwin là một nhà sưu tập bọ cánh cứng,” Chaboo lưu ý.
Mặc dù có sự đa dạng muôn hình vạn trạng, hầu hết bọ cánh cứng đều có chung cấu trúc cơ thể ba phần. Khả năng gấp đôi cánh bay của chúng, giống như origami, dưới đôi cánh cứng bảo vệ được gọi là elytra cho phép bọ cánh cứng chui vào các khe đá và đào hang bên trong cây. Các nhà khoa học cho rằng khả năng phát triển mạnh trong một loạt các vi sinh cảnh cũng có thể giúp giải thích sự phong phú về loài của bọ cánh cứng.
Trong số khoảng 1 triệu loài côn trùng được đặt tên trên Trái đất, khoảng 400.000 loài là bọ cánh cứng. Và đó mới chỉ là những loài bọ cánh cứng đã được mô tả cho đến nay. Các nhà khoa học thường mô tả hàng nghìn loài mới mỗi năm. Vậy – tại sao lại có nhiều loài bọ cánh cứng đến vậy? “Chúng tôi không biết câu trả lời chính xác,” Chaboo nói. Nhưng manh mối đang dần xuất hiện.
Một giả thuyết là có rất nhiều loài bọ cánh cứng vì chúng đã tồn tại rất lâu. “Bọ cánh cứng đã 350 triệu năm tuổi,” nhà sinh vật học tiến hóa và nhà côn trùng học Duane McKenna thuộc Đại học Memphis ở Tennessee cho biết. Đó là một khoảng thời gian rất dài để các loài hiện có có thể hình thành loài mới, hoặc tách thành các dòng dõi di truyền mới, riêng biệt. Để so sánh, loài người hiện đại mới chỉ tồn tại khoảng 300.000 năm.
Tuy nhiên, một nhóm động vật có tuổi đời cao không nhất thiết có nghĩa là nó sẽ có nhiều loài hơn. Một số nhóm rất cổ xưa có rất ít loài. Ví dụ, cá vây tay đã bơi lội trong đại dương khoảng 360 triệu năm, đạt tối đa khoảng 90 loài và sau đó giảm xuống còn hai loài được biết là còn sống đến ngày nay. Tương tự như vậy, loài bò tuatara giống thằn lằn là thành viên sống duy nhất của một bộ bò sát cổ đại từng đa dạng trên toàn cầu có nguồn gốc từ khoảng 250 triệu năm trước.
Một lời giải thích khả dĩ khác cho lý do tại sao bọ cánh cứng lại giàu loài đến vậy là, ngoài việc có tuổi đời cao, chúng còn có sức sống bền bỉ khác thường. “Chúng đã sống sót qua ít nhất hai lần tuyệt chủng hàng loạt,” Cristian Beza-Beza, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của Đại học Minnesota cho biết. Thật vậy, một nghiên cứu năm 2015 sử dụng hóa thạch bọ cánh cứng để khám phá các vụ tuyệt chủng từ thời kỳ Permian 284 triệu năm trước đã kết luận rằng việc không bị tuyệt chủng có thể quan trọng không kém gì sự đa dạng hóa trong việc giải thích sự phong phú của các loài bọ cánh cứng. Trong quá khứ, ít nhất là bọ cánh cứng đã chứng minh khả năng đáng kinh ngạc trong việc thay đổi phạm vi phân bố của chúng để ứng phó với biến đổi khí hậu, và điều này có thể giải thích cho khả năng phục hồi sau tuyệt chủng của chúng, các tác giả đưa ra giả thuyết.
Làm phức tạp thêm bí ẩn về sự đa dạng của bọ cánh cứng là thực tế là một số nhánh của cây họ bọ cánh cứng có nhiều loài hơn những nhánh khác. Ví dụ, bọ hung, loài dành cả cuộc đời để lăn những quả phân được chế tác khéo léo, chỉ có sự đa dạng khiêm tốn. “Họ này có khoảng 8.000 loài, vì vậy nó không phải là một nhóm lớn,” nhà sinh thái học cộng đồng Jorge Ari Noriega tại Universidad El Bosque ở Bogotá, Colombia cho biết.
đọc thêm:
Ngược lại, Chrysomeloidea – một siêu họ chứa bọ cánh cứng sừng dài và bọ cánh cứng ăn lá – bao gồm 63.000 loài, trong khi Buprestidae, một nhóm bọ cánh cứng đục gỗ và lá kim loại còn được gọi là bọ cánh cứng ngọc vì màu sắc óng ánh lấp lánh của chúng, bao gồm khoảng 15.000 loài.
Sự biến đổi lớn về độ phong phú loài giữa các dòng bọ cánh cứng có nghĩa là “không có lời giải thích nào phù hợp với bất kỳ nhóm nào,” McKenna nói. Tuy nhiên, trong số các loài bọ cánh cứng ăn thực vật – chiếm khoảng một phần tư tổng số loài bọ cánh cứng – một mô hình rõ ràng đang nổi lên. Dựa trên phân tích di truyền của các dòng bọ cánh cứng khác nhau, McKenna và các đồng nghiệp của ông đã tìm thấy bằng chứng cho thấy một yếu tố chính thúc đẩy sự đa dạng của bọ cánh cứng là sự đa dạng hóa của thực vật có hoa trong kỷ Phấn trắng.
Trong kỷ Phấn trắng, bắt đầu khoảng 145 triệu năm trước, một loạt các loài thực vật có hoa mới đã lan rộng trên bề mặt Trái đất, chiếm giữ nhiều môi trường sống khác nhau. Ngày nay, thực vật chiếm khoảng 80% khối lượng sự sống của Trái đất. Tận dụng tối đa thực vật làm thức ăn là một chiến lược sinh thái đã giúp thúc đẩy sự lan tỏa của không chỉ bọ cánh cứng mà còn cả các loài ăn cỏ bao gồm kiến, ong, chim và động vật có vú.
Trong trường hợp của bọ cánh cứng ăn cỏ, các dòng họ giàu loài nhất của chúng mang một loạt các gen hấp dẫn cho phép tiêu hóa thực vật, McKenna đã phát hiện ra. Nhiều gen trong số này mã hóa các enzym giúp phá vỡ thành tế bào thực vật, cho phép tiếp cận với các loại đường được lưu trữ trong các hợp chất khó tiêu hóa như cellulose, hemicellulose và pectin. “Các dòng họ có những gen này là những dòng họ cực kỳ thành công,” McKenna nói.
Những gen này là những sự thích nghi khéo léo đã biến các bộ phận thực vật không tiêu hóa được thành thức ăn. Chúng cho phép bọ cánh cứng ăn cỏ ăn nhiều loại cây khác nhau, từ đó cho phép côn trùng di chuyển đến môi trường sống mới và chiếm giữ các ổ sinh thái mới. Khi bọ cánh cứng ăn thực vật lan rộng về mặt địa lý và áp dụng các chế độ ăn uống và lối sống khác nhau, sự khác biệt về gen giữa chúng ngày càng lớn, dẫn đến các loài mới.
Vì những lý do chưa rõ ràng, một số loài bọ cánh cứng ăn thực vật đã mất gen hỗ trợ tiêu hóa khi chúng tiến hóa, bao gồm một gen mã hóa pectinase, một enzym cho phép phân hủy pectin. Nhà sinh thái học tiến hóa Hassan Salem tại Viện Sinh học Max Planck ở Tübingen, Đức, giải thích rằng để bù đắp, một số loài bọ cánh cứng đã phát triển một chiến lược khác để ăn thực vật: Chúng tạo dựng mối quan hệ với các đối tác vi khuẩn – được gọi là cộng sinh – cũng hỗ trợ tiêu hóa thực vật.
Đối với một số loài bọ cánh cứng, những vi khuẩn cộng sinh đặc biệt này đã trở thành một công cụ thay thế để giữ thực vật trong thực đơn, mở rộng số lượng môi trường sống nơi các loài mới có thể tiến hóa và phát triển. Ví dụ, trong đại đa số các loài bọ cánh cứng lá mai rùa, nhóm mà Salem nghiên cứu, không phải là một enzym được mã hóa di truyền phân hủy pectin, mà là một cộng sinh vi khuẩn. Bọ cánh cứng nhận vi khuẩn từ mẹ của chúng: Mỗi khi con cái đẻ trứng, nó cũng để lại một viên nang chứa vi khuẩn. Phôi bọ cánh cứng mai rùa phát triển bên trong trứng, sau đó chui vào viên nang để tiêu hóa cộng sinh khoảng một ngày trước khi nó nở.
“Đó là điều đầu tiên nó gặp trong đời … vì vậy đó là một mối liên hệ rất mật thiết,” Salem nói. Khi Salem và nhóm của ông đã loại bỏ bằng thực nghiệm các viên nang vi khuẩn khỏi ấu trùng đang phát triển, những con bọ cánh cứng trưởng thành, không có mầm bệnh xuất hiện có tỷ lệ tử vong cao vì chúng không thể tiếp cận pectin trong tế bào thực vật.
Ngoài việc giúp thực vật dễ tiêu hóa hơn, một số vi khuẩn liên quan với thực vật có thể đã mở đường cho sự đa dạng hóa bọ cánh cứng vì chúng cung cấp cho bọ cánh cứng sự bảo vệ khỏi động vật ăn thịt. Ví dụ, ở loài bọ cánh cứng lá mai rùa Chelymorpha alternans, một loại nấm tên là Fusarium – thường được tìm thấy trong các loại cây trồng như chuối và khoai lang – phát triển trên bề mặt nhộng bọ cánh cứng trong quá trình biến thái. “Chúng tôi đã chứng minh rằng nếu bạn loại bỏ nấm, thì kiến sẽ dễ dàng tìm thấy chúng và ăn chúng,” Aileen Berasategui, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Viện Sự sống và Môi trường Amsterdam ở Hà Lan cho biết. Nói cách khác, Fusarium có thể đang che chắn bọ cánh cứng khỏi những kẻ săn mồi gây hại, mở rộng lãnh thổ bọ cánh cứng và cho phép đa dạng hóa.
Berasategui nói thêm rằng rất nhiều bọ cánh cứng vỏ cây, như bọ cánh cứng ambrosia, cũng được hưởng lợi từ nấm Fusarium, nhưng theo một cách khác. Bọ cánh cứng mang nấm từ cây này sang cây khác trong các túi chuyên dụng gọi là mycangia. Khi nấm lây nhiễm cây đang diễn ra, bọ cánh cứng sẽ thưởng thức một bữa tiệc nấm.
Việc thích nghi để tiến hành loại hình canh tác này – gieo bào tử sẽ phát triển thành thức ăn – cũng đã giúp các loài bọ cánh cứng khai thác môi trường sống mới. “Từ tổ của chúng, chúng lấy một mảnh nhỏ, và sau đó … bay đến một cái cây mới, nơi chúng bắt đầu xây tổ của riêng mình, chúng gieo loại nấm mới, chúng tạo ra khu vườn mới này,” Berasategui nói. Được gọi là canh tác nấm, phương pháp này đã tiến hóa độc lập ở bọ cánh cứng ambrosia bảy lần. Sự tiến hóa của các loài bọ cánh cứng mới được cho là đã được định hình bởi mối quan hệ cùng có lợi với những loại nấm này – một phần của lịch sử 50 triệu năm, trong đó côn trùng như kiến, mối và bọ cánh cứng ambrosia đã tiến hóa độc lập để nuôi nấm, theo một bài báo năm 2005 được xuất bản trên Tạp chí Đánh giá Hàng năm về Sinh thái học, Tiến hóa và Hệ thống học.
Bọ cánh cứng ăn thực vật đã phát triển các cải tiến khác có thể cho phép chúng hình thành loài nhiều hơn các nhóm bọ cánh cứng khác. Ví dụ, ở bọ cánh cứng ăn lá mà Chaboo nghiên cứu, sự xuất hiện trong hồ sơ hóa thạch của các tấm chắn phân phòng thủ – cấu trúc được xây dựng từ chất bài tiết và da bong ra của chính bọ cánh cứng – “trùng hợp với sự lan tỏa của các loài lớn,” bà nói. Hầu hết bọ cánh cứng sử dụng lá chắn là loài sống đơn độc, nhưng một số sống theo nhóm, sắp xếp thành đội hình để bảo vệ chúng khỏi động vật ăn thịt. Chaboo nói, sự bảo vệ của tấm chắn phân có thể đã giúp bọ cánh cứng di chuyển đến môi trường sống thoáng hơn.
Cho dù chúng ăn thực vật hay ăn các loại thức ăn khác như xác thối, bọ cánh cứng từ tất cả các nhóm đã phát triển một loạt công cụ ấn tượng để giải quyết nhiều vấn đề khác nhau. Theo nghĩa đó, bọ cánh cứng là một thế giới thu nhỏ của cây sự sống, McKenna nói.
Tuy nhiên, dù bọ cánh cứng có khả năng phục hồi đến đâu, chúng ta cũng không thể coi thường sự sống còn của chúng. Quần thể côn trùng đang suy giảm ở nhiều nơi – “và, vâng, bọ cánh cứng là một phần trong số đó,” Beza-Beza nói. Làm thế nào chúng sống sót sau những tác động của con người là “một trong những câu hỏi cốt lõi ngay lúc này,” ông nói thêm, mặc dù ông cá rằng sẽ có bọ cánh cứng trên Trái đất “lâu hơn con người.”
Bận rộn với những câu đố khoa học trên những hòn đảo trên trời rừng mây Trung Mỹ, nơi ông làm việc, Beza-Beza có một mối quan hệ đặc biệt với Ogyges politus, một loài bọ cánh cứng sống và ăn gỗ mục nát. “Nó chỉ xuất hiện ở những ngọn núi bên cạnh quê hương tôi,” ông nói. “Vì vậy, nó nhắc nhở tôi về nơi tôi đến … và rằng có những viên ngọc này ở khắp mọi nơi.”
